ประดิษฐ์รุ้งจากน้ำยาเคลือบเล็บ
Making Rainbow from Nail Polisher

rainbow from thin film

สีรุ้งเกิดได้อย่างไรบนแผ่นฟิล์มบางๆ ?

บางครั้งเวลาแวะเวียนเข้าไปในปั๊มน้ำมัน หรืออู่ซ่อมรถยนต์ เราจะเห็นสีรุ้งสะท้อนจากน้ำมันที่ลอยอยู่บนผิวน้ำ ดูๆ ก็สวยดี เอามาลองทำเลียนแบบได้ไม่ยาก แต่มีข้อเสียคือ ค่อนข้างจะสกปรกเลอะเทอะไปสักหน่อย ถ้าให้น้องๆ ทำเล่น น้ำมันอาจเลอะเปื้อนเสื้อผ้า คิดไปคิดมา ไม่ทดลองดีกว่า ไม่คุ้มค่าซักผ้า :-(

สีรุ้งที่เราเห็นจากฟิล์มบางๆ เช่น น้ำมัน หรือ ฟองสบู่ เป็นผลของ การแทรกสอดแบบเสริม (Constructive Interference) และ การแทรกสอดแบบหักล้าง (Destructive Interference) ของแสงสะท้อนจากผิวด้านบนของน้ำมัน กับแสงที่สะท้อนจากผิวด้านล่างของน้ำมัน เนื่องจากฟิล์มของน้ำมัน มีความหนาไม่เท่ากัน ผลการสะท้อนจึงต่างกันด้วย ส่งผลให้สีที่ได้จากการแทรกสอดต่างกัน

การที่ฟิล์มจะให้สีรุ้งสวยงามออกมาได้นั้น แสดงว่าฟิล์มนั้นๆ มีความหนาใกล้เคียงกับความยาวคลื่นของแสง

ปรากฏการณ์เช่นนี้เรียกว่า การแทรกสอดในฟิล์มบาง (Thin-film interference) ครับ อ่านรายละเอียดเพิ่มเติมได้บน web ของ Physics Department ของ Boston University

การหักเห การสะท้อน และ การแทรกสอด

เริ่มการปวดหัวด้วยเรื่อง การหักเหของแสง และ กฎของ Snell กันสักเล็กน้อยนะครับ

  1. แสงเดินทางผ่านตัวกลางต่างๆ โดยมีความเร็วที่ต่างกัน
  2. เมื่อแสงเดินทางผ่านจากตัวกลางหนึ่งไปสู่อีกตัวกลางหนึ่ง จะเกิดการเปลี่ยนแปลงความเร็ว และเกิดการหักเห (refraction)
  3. ตัวกลางจะมีค่า Index of Refraction (เรียกย่อว่า n) ต่างกัน ตัวกลางที่แสงเดินทางได้เร็ว จะมีค่า index of refraction ต่ำกว่า ตัวกลางที่แสงเดินทางผ่านได้ช้ากว่า

Index of refraction ของตัวกลางใดๆ = ความเร็วแสงในสูญญากาศ หารด้วย ความเร็วแสงในตัวกลางนั้น

ตัวกลางIndex of Refraction
อากาศ1.000277
น้ำแข็ง1.31
น้ำ1.333333
เพชร2.417

การเดินทาง
ของแสง
การเปลี่ยนแปลงจากการหักเห
ความเร็วทิศทางความยาวคลื่นความถี่
จากตัวกลางที่ n ต่ำ ไปยังตัวกลางที่ n สูงกว่า
เช่น จากอากาศไปสู่น้ำ
ลดลง แสงจะเบนเข้าหาแกนที่ตั้งฉากกับระนาบที่แสงตกกระทบลดลงเท่าเดิม
จากตัวกลางที่ n สูง ไปยังตัวกลางที่ n ต่ำกว่า
เช่น จากน้ำไปสู่อากาศ
เพิ่มขึ้น แสงจะเบนออกจากแกนที่ตั้งฉากกับระนาบที่แสงตกกระทบเพิ่มขึ้นเท่าเดิม

ข้อมูลเพิ่มเติม
Refraction of Light

Thin-film interference Illustration
ภาพแสดงการหักเห และการสะท้อนของแสง บนฟิล์มบาง

เราใช้ความรู้ที่ได้จาก การแทรกสอดแบบหักล้าง มาใช้ในการเคลือบหน้าเลนส์กล้องถ่ายภาพ (สีออกฟ้าๆ) หรือที่เรียกว่า non-reflective coating โดยความหนาของการเคลือบจะมีค่าเท่ากับ 1/4 ของความยาวคลื่นแสง

* ค่า n ของ coating มีค่าเท่ากับ 1.38 ในขณะที่ ค่า n ของแก้วมีค่าเท่ากับ 1.52

การเดินทาง
ของแสง
การเปลี่ยนแปลงจากการสะท้อน
Phase Shift
(จำนวนเท่าของความยาวคลื่น)
จากตัวกลางที่ n ต่ำ สะท้อนบนตัวกลางที่ n สูงกว่า
เช่น จากอากาศสะท้อนบนน้ำ
1/2
(มีค่าเท่ากับแสงเดินทางไปเป็นระยะทาง ครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่น)
จากตัวกลางที่ n สูง สะท้อนบนตัวกลางที่ n ต่ำกว่า
เช่น จากน้ำสะท้อนบนอากาศ
ไม่เปลี่ยนแปลง

การแทรกสอดแบบเสริม (Constructive Interference) เกิดเมื่อแสงสะท้อนจากทั้งสองผิว มีการ shift เป็นจำนวนเต็มของความยาวคลื่น นั่นคือ เมื่อความหนาของฟิล์มเท่ากับ 1/4, 3/4, 5/4 เท่าของความยาวคลื่น

การแทรกสอดแบบหักล้าง (Destructive Interference) จะเกิดเมื่อความหนาของฟิล์มเท่ากับ 1/2, 1, 3/2 เท่าของความยาวคลื่น

ตารางแสดงผลการแทรกสอดของแสงสะท้อนจากฟิล์มบาง
ความหนาของฟิล์ม
(จำนวนเท่าของความยาวคลื่น)
การ shift ของแสงที่สะท้อนจากผิวด้านบนของฟิล์ม
(จำนวนเท่าของความยาวคลื่น)
การ shift ของแสงที่สะท้อนจากผิวด้านล่างของฟิล์ม
(จำนวนเท่าของความยาวคลื่น)
ผลของการแทรกสอด
1/41/21/2constructive
1/21/21destructive
3/41/21-1/2constructive
11/22destructive

อุปกรณ์การประดิษฐ์รุ้ง
  • น้ำยาเคลือบเล็บ : ใช้ขวดเล็กๆ ขวดเดียวก็พอครับ ผมซื้อมาแถวสำนักงานฯ ราคาขวดละ 15 บาท แต่ถูกกว่านั้น หรือแพงกว่านั้นก็คงจะมี
    น้ำยาเคลือบเล็บ
  • ลวด : ถ้าหาสายโทรศัพท์เก่าๆ ได้ เอามาลอกพลาสติกที่หุ้มข้างนอกออก แล้วใช้ลวดเส้นเล็กสีสวยๆ ข้างในก็ได้ครับ
  • อ่างน้ำ : พร้อมน้ำ
ขั้นตอนการประดิษฐ์
ลวดดัด ดัดลวดให้เป็นรูปทรงที่ต้องการ เริ่มต้นด้วยวงกลมก็ได้ครับ ง่ายดี อย่าลืมทำมือจับแบบถนัดๆ ด้วยนะครับ
อ่างใส่น้ำ หาอ่างขนาดพอสมควร ใส่น้ำสะอาด อย่าให้มีฝุ่นผงเลยนะครับ โดยเฉพาะบนผิวหน้าน้ำ ไม่งั้นฟิล์มที่ออกมาอาจไม่ค่อยสวย
ฟิล์มบนน้ำ หยดน้ำยาเคลือบเล็บลงไปบนผิวหน้าน้ำ 1 หยด น้องๆ จะเห็นน้ำยากระจายออกอย่างรวดเร็วบนผิวน้ำ ดังเช่นในภาพ

น้องใช้น้ำยาฯ แค่หยดเดียวก็พอนะครับ เพราะฟิล์มจะเกิดขึ้นและแห้งอย่างรวดเร็ว ทำให้น้ำยาหยดที่ 2 ไม่สามารถกระจายออกเป็นแผ่นได้

ในขณะที่น้ำยาฯ กำลังแห้ง สารทำละลายจะระเหยออกจากน้ำยาฯ อย่างรวดเร็ว ทำให้ความหนาของฟิล์มเปลี่ยนแปลงไปเรื่อยๆ สีรุ้งที่เกิดขึ้นก็จะเปลี่ยนไปเรื่อยๆ เช่นกัน จนกระทั่งหยุดการเปลี่ยนแปลงเมื่อสารทำละลายระเหยจนหมด และฟิล์มแห้งดีแล้ว

การช้อนฟิล์ม ใช้ลวดที่ดัด ตักฟิล์มขึ้นมาจากผิวน้ำ ฟิล์มจะติดอยู่กับลวดเพราะความเหนียว

เวลาตัก ให้น้องค่อยๆ ตักช้าๆ นะครับ เพราะฟิล์มจะบางและขาดได้ง่ายมาก

รุ้งบนฟิล์ม

ถ้าตักแล้วขาด ก็ดึงฟิล์มทิ้งไป ทำความสะอาดผิวหน้าน้ำ (หรือจะเปลี่ยนน้ำก็ได้ครับ) แล้วเริ่มต้นใหม่ครับ

เมื่อช้อนฟิล์มได้แล้ว ให้งอด้ามจับตรงปลาย แล้วไปแขวนห้อยไว้กับเชือก เพื่อให้แห้ง แล้วนำมาชื่นชมทีหลัง (หรือจะชื่นชมทันทีก็ได้ครับ)

รุ้งบนฟิล์ม ฟิล์มที่เกิดขึ้น จะมีความบางมาก และขาดได้ง่าย น้องๆ บางคน อาจทดลองตักหลายๆ ครั้ง เพื่อให้ได้ฟิล์มที่หนาขึ้น แต่ก็จะทำให้สีสันที่ได้ลดลงไปด้วย เนื่องจากฟิล์มที่หนาเกินไปไม่สามารถหักเหและสะท้อนแสง ได้เหมือนกับฟิล์มบางๆ
รุ้งบนฟิล์ม เมื่อฝึกทำจนเริ่มชำนาญแล้ว ก็อาจลองทำอะไรที่เป็นศิลปะเพิ่มขึ้น เช่น ดัดลวดเป็นรูปทรงต่างๆ

ผีเสื้อตัวนี้ ก็ไม่ได้ยากเท่าไรครับ เด็กๆ ก็ลองดัดเล่นได้

หรือจะลองดัดเป็นรูปใบไม้ แล้วนำใบไม้หลายๆ ใบ มาประกอบเป็นต้นไม้สีรุ้ง ก็ได้นะครับ

รุ้งบนฟิล์ม บน web page ของต่างประเทศ เขาแนะให้ติดฟิล์มที่ได้ลงบนกระดาษ โดยใช้ถาดขนาดใหญ่ในการทำ

ก่อนอื่นวางกระดาษไว้ใต้น้ำ เมื่อหยดน้ำยาฯ ลงบนผิวน้ำ แล้วจึงค่อยๆ ดึงกระดาษขึ้น ให้ฟิล์มติดบนกระดาษ

หลังจากการทดลอง ปรากฎว่าสีรุ้งที่ได้ ไม่สดใส เหมือนกับที่ทำบนลวด ถ้าน้องๆ จะทดลองทำ น่าจะลองใช้กระดาษสีอื่นๆ ดูบ้าง เช่น กระดาษสีดำ อาจทำให้สีรุ้งดูแจ่มขึ้นก็เป็นได้


ภาพรุ้งประดิษฐ์

ฟิล์มบนผิวน้ำ ฟิล์มบนผิวน้ำ ฟิล์มบนผิวน้ำ
รุ้งที่เกิดจากฟิล์มที่ลอยอยู่บนผิวน้ำ
รุ้งบนฟิล์ม รุ้งบนฟิล์ม รุ้งบนฟิล์ม
รุ้งที่เกิดจากฟิล์มที่ตักขึ้นมาด้วยลวดดัด
รุ้งบนฟิล์ม รุ้งบนฟิล์ม รุ้งบนฟิล์ม
รุ้งสีสวย
รุ้งบนฟิล์ม รุ้งบนฟิล์ม รุ้งบนฟิล์ม
เมื่อเปลี่ยนมุมมอง สีรุ้งก็จะเปลี่ยนไปด้วย
รูปแบบต่างๆ รูปแบบต่างๆ
ลองดัดลวดเป็นรูปต่างๆ ดูสิครับ
รุ้งบนฟิล์มบาง ชมภาพกิจกรรม "แสงสีรุ้ง" ในนิทรรศการของ สทอภ. ใน งานมหกรรมวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ ประจำปี 2550 จัดขึ้นระหว่างวันที่ 8-19 สิงหาคม 2550 ณ ไบเทค บางนา
รุ้งบนฟิล์มบาง ชมภาพกิจกรรม "แสงสีรุ้ง" ในนิทรรศการของ สทอภ. ใน งานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 2549 จัดขึ้นระหว่างวันที่ 11-22 สิงหาคม 2549 ณ ไบเทค บางนา

คำถามที่อาจถามบ่อยๆ
รุ้งแบบนี้ดีกว่ารุ้งบนฟิล์มน้ำมันตรงไหน ?
การประดิษฐ์รุ้งแบบนี้ สะอาดกว่าเยอะครับ ฟิล์มที่เกิดขึ้นจะแห้งอย่างรวดเร็ว กลายเป็นแผ่นฟิล์มบางๆ ไม่เลอะเทอะ หรือเปื้อนง่าย

ยาทาเล็บทำมาจากอะไร ?
beauty.about.com บอกว่า ในสมัยราชวงศ์หมิง ยาทาเล็บทำมาจากส่วนผสมของ ขี้ผึ้ง ไข่ขาว, เจลาติน, สีย้อมจากผัก, และ arabic gum แต่ในปัจจุบัน ยาทาเล็บทำมาจากสีพ่นรถจ้า

web ของ madsci บอกว่ายาทาเล็บ(ยี่ห้อหนึ่ง) มีส่วนผสมดังนี้ :

  • เอทธิล อะซีเตท (ethyl acetate)
  • บิวทิล อะซีเตท (butyl acetate)
  • ไนโตรเซลลูโลส (nitrocellulose)
  • ไอโซโพรพิล แอลกอฮอล์ (isopropyl alcohol)
  • โพลีเอสเตอร์ เรซิน (polyester resin)
  • ไดบิวทิล ทาเลท (dibutyl phthalate)
  • สไตรีน/อะครีลิค โคโพลีเมอร์ (styrene/acrylates copolymer)
  • สเตียราลโคเมียม เฮคโตไรท์ (stearalkonium hectorite)
  • สเตียราลโคเมียม เบนโทไนท์ (stearalkonium bentonite)
  • เบนโซฟีโนน-1 (benzophenone-1)
  • แคลเซียม แพนโทธีเนท (calcium pantothenate)

บน web ของ madsci อีกหน้าหนึ่ง สรุปว่า ยาทาเล็บ มีส่วนผสมหลัก 3 กลุ่มใหญ่ ด้วยกัน คือ

  1. สารทำละลาย (organic solvents) และ สารทำให้แห้ง (drying agents) : ที่ใช้กัน คือ เอทธิล อะซีเตท (ethyl acetate (ซึ่งใช้ในน้ำยาล้างเล็บด้วย)) บิวทิล อะซีเตท, ฟอร์มัลดีไฮด์, และ ไอโซโพรพิล แอลกอฮอล์ (แอลกอฮอล์เช็ดแผล)
  2. สารทำให้ข้น (thickeners) และ สารทำให้แข็งตัว (hardening agents) : ได้แก่ ไนโตรเซลลูโลส (nitrocellulose, หรือที่รู้จักกันว่า gun cotton ซึ่งใช้เป็นส่วนประกอบของวัตถุระเบิด และ ดินปืน) อะครีเลท โคโพลีเมอร์ (acrylate copolymers) และ/หรือ โพลีเอสเตอร์/โพลียูรีเธน โคโพลีเมอร์ (polyurethane copolymers) สารเหล่านี้เป็นพลาสติกชนิดหนึ่งซึ่งจะแข็งตัวกลายเป็นฟิล์มบางๆ เมื่อสารทำละลายระเหยไปแล้ว
  3. สี (coloring agents) และ สารทำให้เกิด effect ต่างๆ (effects agents) : อันนี้ ขึ้นกับยี่ห้อครับ ยกตัวอย่างเช่น ผงอลูมิเนียม (alumimum powder) และ บิสมัท ออกซีคลอไรด์ (bismuth oxychloride) เพื่อทำให้เกิดความเป็นรุ้ง (pearlescent) และ ความแวววาว (glitter)


อะไรเกิดขึ้นเมื่อเกิดการแทรกสอดแบบเสริม ?
การแทรกสอดแบบเสริม เกิดขึ้นเมื่อส่วนที่เป็นสันคลื่นพบกับส่วนที่เป็นสันคลื่น และส่วนที่เป็นท้องคลื่นพบกับส่วนที่เป็นท้องคลื่น แอมปลิจูดของคลื่นทั้งสองจะเสริมกัน เรียกตำแหน่งนี้ว่า ปฏิบัพ (antinode)

อะไรเกิดขึ้นเมื่อเกิดการแทรกสอดแบบหักล้าง ?
การแทรกสอดแบบหักล้าง เกิดขึ้นเมื่อส่วนที่เป็นสันคลื่นพบกับส่วนที่เป็นท้องคลื่น แอมปลิจูดของคลื่นทั้งสองจะหักล้าง เรียกตำแหน่งนี้ว่า บัพ (node)



All pages were created on Macintosh Computer, using Adobe PhotoShop and BBEdit.

คำถาม? ข้อคิดเห็น! ข้อเสนอแนะ . . . ติดต่อกับเราได้ครับ
Sci4fun | Rainbow | กลับขึ้นข้างบน

All rights reserved.
Reproduction in whole or in part without permission is prohibited.
P i t a n S i n g h a s a n e h
ผู้เขียน : ดร. พิธาน สิงห์เสน่ห์
Writer : Dr.Pitan Singhasaneh